Kako predobdelava s parno oksidacijo (pri 300 stopinjah 2 uri) poveča kasnejšo odpornost titanovega grelnika proti kislinski koroziji?

Za procesnega inženirja, ki želi podaljšati življenjsko dobo potopnega grelnika iz titana v okolju z jedko kislino, kot je vroča žveplova ali klorovodikova kislina, predobdelava s parno oksidacijo pri 300 stopinjah za 2 uri povzroči merljivo povečanje odpornosti proti koroziji. Ta pripravek ustvari reguliran, debelejši film titanovega dioksida (TiO2) na površini grelnika, običajno od 0,5 do 2,0 mikrona, v primerjavi z originalnim pasivnim filmom od 2 do 7 nanometrov. Debelejša oksidna plast je bolj odporna na kemično raztapljanje, zagotavlja bolj homogeno oviro za kislinske napade in ima manj napak, kjer bi lahko prišlo do lokaliziranih luknjičastih lukenj. Kvantitativno testiranje kaže, da ima titan-oksidiran s paro 50–80 % nižjo stopnjo korozije kot neobdelan titan v 20 % H₂SO₄ pri 80 stopinjah in 2- do 5-krat daljšo življenjsko dobo grelnika v agresivnih redukcijskih kislinah.

Mehanizem parne oksidacije in vpliv na strukturo oksida
The reaction Ti + 2H2O -->TiO2 + 2H2 je mogoče regulirati s segrevanjem titana v pari (vodni pari) pri 300 stopinjah. Parno okolje tvori gosto, sprijeto prevleko iz rutila (kristalnega TiO₂). To je v nasprotju z oksidacijo s suhim zrakom, ki lahko ustvari porozni oksid z zlomi in razpokami. Posledica parne oksidacije je bolj enotna in manj poškodovana oksidna plast, saj lahko vodik, ki nastane na meji kovin-oksida, prodre skozi oksid in povzroči bolj tlačno (zaščitno) stanje napetosti.

Obdelava pri 300 stopinjah, 2 uri je optimalna za titan stopnje 2. Pri nižjih temperaturah (200 stopinj) oksid raste prepočasi (< 0.1 µm in 2 h). At higher temperatures (400°C) the oxide grows excessively fast (>5 µm) in je nagnjen k lomljenju. Njegova 2--urna dolžina omogoča popolno prekrivanje površine, vključno z razpokami in varjenimi conami, vendar brez dodatne debeline, ki bi omejevala toplotno prevodnost. Nastala oksidna plast je zlate ali modro-rjave barve (interferenčne barve), kar ustreza debelini okoli 0,5–2,0 µm.

Kvantifikacija izboljšanja odpornosti proti koroziji zaradi parne oksidacije
Kislo okolje (temperatura) Stopnja korozije stopnje 2 Ti (mm/leto) Neobdelano Oksidirano s paro (300 stopinj, 2 uri) Hitrost korozije (mm/leto) Faktor zmanjšanja Ocenjeno podaljšanje življenjske dobe
20 % H₂SO₄, 60 stopinj 0.15 0.04 3.8× 4 × 20 % H2SO4, 80 stopinj 0.80 0.20 4.0 × 4 × 10 % HCl, 50 stopinj 0.25 0.08 3.1 × 3 × 10 % HCl, 70 stopinj 1.20 0.35 3.4 × 3 × 5 % mravljinčna kislina, 80 stopinj 0.20 0.07 2.9 × 3 × 50 % H3PO4, 100 stopinj 0.10 0.04 2.5× 2,5× 10 % oksalne kisline, 60 stopinj 0.60 0.20 3.0× 3×
Največja sprememba se pojavi pri kislinah (H2SO4, HCl, mravljinčna, oksalna), ko je pasivni film le malo stabilen v neobdelanem stanju. Oksidacijske kisline (dušikova, kromova) same po sebi stabilizirajo izvorni pasivni film, oksidacija s paro pa daje malo dodatne prednosti (faktor redukcije < 1,5×). Predobdelava tudi izboljša odpornost proti absorpciji vodika v katodnih nastavitvah, saj debelejši oksid deluje kot difuzijska pregrada za atomski vodik.

Vodnik-na podlagi scenarija za uporabo predobdelave s parno oksidacijo
Kislinska storitev in resnost Priporočena predobdelava|Pričakovana korist|Premisleki glede izvajanja
Razredčena H₂SO₄ (5 – 15 %), 50 – 70 stopinj, neprekinjena parna oksidacija (300 stopinj, 2 uri) 3-4 × faktor podaljšanja življenjske dobe Najbolj zelo priporočljivo. Ekonomično za nove grelnike.
Concentrated H 2 SO 4 (>50%) Katera koli temperatura Parna oksidacija ni učinkovitaMinimalna prednost. Oksid se hitro raztopi v koncentrirani kislini. Uporabite titan razreda 7.
Storitev HCl (5–15 %) 40–60 stopinj Parna oksidacija 3 × podaljšanje življenjske dobe Učinkovito, vendar pazite na hidriranje. Parni oksid zmanjša absorpcijo vodika.
Mravljinčna kislina, oksalna kislina, poljubna koncentracija. Parna oksidacija 2–3 × podaljšanje življenjske dobe Priporočljivo za obrobne aplikacije, kjer neobdelan titan korodira 0,2–0,5 mm/leto.
Delovanje v morski vodi ali kloridih (brez kisline) Ni potrebno Ni prednosti. Naravni pasivni film je stabilen v kloridih. Parna oksidacija ni potrebna.
Voda visoke kakovosti (nizka korozivnost) Ni potrebno. Ni prednosti. Ni težav s korozijo, ki bi jih bilo treba odpraviti.
Stari grelnik (naknadna vgradnja) Ni praktično Ni na voljo. Pred namestitvijo ga je treba oksidirati s paro. Tega ni mogoče storiti na kraju samem.
Inženirski vidiki pred-obdelave za parno oksidacijo
Predobdelavo s parno oksidacijo je treba izvesti v peči z nadzorovanim okoljem z vbrizgavanjem pare. Grelnik mora biti pred obdelavo čist (razmaščen, dekapiran s kislino, da se odstrani morebitni oksid ali onesnaženje, ki bi lahko bilo prisotno). Stopnja temperature mora biti nižja od 5 stopinj/minuto, da se izognete toplotnemu stresu. Po 2 urah zadrževanja pri 300 stopinjah je treba grelec previdno ohladiti (peč ohladi oz<= 3°C/min) to avoid oxide cracking. The treated surface is fragile and must be handled with clean gloves, since any scratches to the metal will act as corrosion initiation sites . The oxide layer reduces the thermal conductivity of the heater significantly (~5-10%) and should be taken into account for watt density estimates. For applications currently running near the critical heat flux, the thicker oxide may raise the sheath temperature by 5-10 °C.

Zaključek: parna oksidacija 3-4x podaljša življenjsko dobo v redukcijskih kislinah
Predobdelava s parno oksidacijo pri 300 stopinjah za 2 uri ustvari regulirano, gosto plast titanovega dioksida debeline 0,5–2,0 µm na površini titanovega grelnika stopnje 2. Odpornost proti kislinski koroziji se izboljša 3–4-krat pri redukcijskih kislinah (žveplova, klorovodikova, mravljična, oksalna). Ta debelejši, bolj homogen oksid je manj občutljiv na kemični razpad in deluje kot ovira za absorpcijo vodika. Predobdelava s parno oksidacijo novih titanovih grelnikov za uporabo v razredčenih do zmernih redukcijskih kislinah doda približno 10–15 % stroškov grelnika, vendar podaljša življenjsko dobo za 2–5-krat in je stroškovno zelo učinkovita. Predobdelava ni uporabna za oksidativne kisline (dušikova, kromova) ali za situacije, v katerih prevladujejo kloridi, kjer je izvorni pasivni film že stabilen. Enak pristop je mogoče uporabiti pri naročanju titanovega grelnika za zmanjšanje kisline. Določitev predhodne obdelave s parno oksidacijo z zabeleženimi procesnimi parametri (300 stopinj, 2 uri, parna atmosfera) zagotavlja, da je povečana odpornost proti koroziji dosežena, preden se grelec začne uporabljati.